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詹姆斯·普雷斯科特·焦耳

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詹姆斯·普雷斯科特·焦耳(James Prescott Joule,1818年12月24日-1889年10月11日),英國物理學家,出生於曼徹斯特近郊的沙弗特(Salford)。由於他在熱學、熱力學和電方面的貢獻,英國皇家學會授予他最高榮譽的科普利獎章(Copley Medal)。後人為了紀念他,把能量或功的單位命名為「焦耳」,簡稱「焦」;並用焦耳姓氏的第一個字母「J」來標記熱量。

1 詹姆斯·普雷斯科特·焦耳 -簡介

詹姆斯·普雷斯科特·焦耳焦耳

詹姆斯·普雷斯科特·焦耳(James Prescott Joule;1818年12月24日-1889年10月11日),英國物理學家。

焦耳沒有受過正規教育,15歲以前在家自學。16歲時跟著英國物理兼化學學家約翰·道爾頓學習。1840年,焦耳的第一篇重要的論文被送到英國皇家學會,這篇論文中提出了「焦耳定律」。1847年,焦耳與英國著名物理學家凱爾文勛爵(Lord Kelvin 即William Thomson)合作進行能量守恆等問題的研究。1849年,焦耳提出能量守恆與轉化定律,奠定了熱力學第一定律(能量不滅原理)的基礎。

1850年,焦耳當選為英國皇家學會院士。1866年英國皇家學會授予焦耳最高榮譽的科普利獎章(Copley Medal),以表彰他在熱學、熱力學和電方面的貢獻。後人為了紀念他,把能量或功的單位命名為「焦耳」,簡稱「焦」;並用焦耳姓氏的第一個字母「J」來標記熱量。

2 詹姆斯·普雷斯科特·焦耳 -生平

1818年12月24日

焦耳生於蘇格蘭北部曼徹斯特城的郊外沙弗特(Salford)。

焦耳的父親是一個釀酒廠主,焦耳自幼跟隨父親參加釀酒勞動,沒有受過正規教育。

1834年

焦耳進入曼徹斯特松樹街( PineStreet)道爾頓的學校就讀。

焦耳向道爾頓學習數學、哲學和化學,這些知識為焦耳後來的研究奠定了理論基礎。而道爾頓教誨了焦耳理論與實踐相結合的科研方法,激發了焦耳對化學和物理的興趣,並在他的鼓勵下決心從事科學研究工作。 

1837年焦耳裝成了用電池驅動的電磁機,並發表了關於這方面的論文而引起人們的注意。
1840年焦耳把環形線圈放入裝水的試管內,測量不同電流強度和電阻時的水溫。12月焦耳在英國皇家學會上宣讀了關於電流生熱的論文,提出電流通過導體產生熱量的定律。由於不久之後,俄國物理學家楞次也獨立發現了同樣的定律,該定律也稱為焦耳-楞次定律。
1843年焦耳以蒸汽引擎為研究對象,他發現當時最佳的「可尼斯蒸汽引擎」(Cornish Stream Engines)所產生的熱量換算成作功的機械能量,竟然是引擎實際作功的十倍。
1844年焦耳研究空氣在膨脹和壓縮時的溫度變化。通過對氣體分子運動速度與溫度的關係的研究,焦耳計算出了氣體分子的熱運動速度值,從理論上奠定了波義耳-馬略特和蓋-呂薩克定律的基礎,並解釋了氣體對器壁壓力的實質。 
1847年

焦耳通過實驗測得熱功當量的平均值為423.9千克米/千卡。研究能量守恆及轉化定律。

聖安德得烈大學(St. Andrews University)自然哲學系主任出缺,學校接受各方推薦,焦耳成為最佳候選人。

1850年 焦耳入選為英國「皇家協會」的研究員。
1852年

焦耳與湯姆生共同發表「氣體(二氧化碳)體積膨脹時,會產生溫度降低的效應」,後來這又稱為「焦耳-湯姆生效應」(Joule-Thomson Effect),這是冷凍工業發展的基石。

1856年焦耳發表「以攝影技術研究流體在河底邊界層的摩擦研究」。
1857年焦耳發表「從攝氏0 度到攝氏4 度時水的體積縮小,攝氏4 度以上,水的體積又膨脹。水在攝氏4 度時,密度最大。」
1858年焦耳發表「都市污水最好的處理方法,不是直接倒入河川,而是排入土壤表面,成為土地所需的肥料。」
1859年焦耳發表〈物體在空氣中高速運動時表面的散熱作用〉。
1860 年焦耳以傑出的研究獲選為「曼徹斯特文學與哲學學會」(Manchester Literary and Philosophical Society)主席,同時擔任聖安娜教會(St. Ann Church)的科學講座。
1870年1870年以後,焦耳就很少發表新的研究報告,他仔細反覆地量測他年輕時所做的研究。
1872年焦耳向政府建議成立「國家科學會」(Board of Science)
1873年經常性的流鼻血干擾了焦耳的研究能力。
1978年焦耳60歲時發表了他的最後一篇論文。
1882年焦耳辭去「曼徹斯特文學與哲學學會」主席的工作。
1889年10月11日焦耳病逝,死前留下一張紙條,寫著:「我已感到科學逐漸走向一個危機-科學的誤用。」

3 詹姆斯·普雷斯科特·焦耳 -成就

焦耳定律的發現

1840年12月,他在英國皇家學會上宣讀了關於電流生熱的論文,提出電流通過導體產生熱量的定律;由於不久 э . х . 楞次 也獨立地發現了同樣的定律,而被稱為焦耳-楞次定律。

熱功當量的測定

焦耳的主要貢獻是他鑽研並測定了熱和機械功之間的當量關係。這方面研究工作的第一篇論文《關於電磁的熱效應和熱的功值》,是1843年在英國《哲學雜誌》第23卷第3輯上發表的。此後,他用不同材料進行實驗,並不斷改進實驗設計,結果發現儘管所用的方法、設備、材料各不相同,結果都相差不遠;並且隨著實驗精度的提高,趨近於一定的數值。最後他將多年的實驗結果寫成論文發表在英國皇家學會《哲學學報》1850年第140卷上,其中闡明:第一,不論固體或液體,摩擦所產生的熱量,總是與所耗的力的大小成比例。第二,要產生使1磅水(在真空中稱量,其溫度在50~60華氏度之間)增加1華氏度的熱量,需要耗用772磅重物下降1英尺的機械功。他精益求精,直到1878年還有測量結果的報告。他近40年的研究工作,為熱運動與其他運動的相互轉換,運動守恆等問題,提供了無可置疑的證據,焦耳因此成為能量守恆定律的發現者之一。

在熱力學方面的成就

1852年焦耳和w. 湯姆孫 (即開爾文)發現氣體自由膨脹時溫度下降的現象,被稱為焦耳-湯姆孫效應。這效應在低溫和氣體液化方面有廣泛應用。他對蒸汽機的發展作了不少有價值的工作。

4 詹姆斯·普雷斯科特·焦耳 -榮譽

焦耳於1850年當選為英國皇家學會會員。1866年由於他在熱學、熱力學和電方面的貢獻,皇家學會授予他最高榮譽的科普利獎章(Copley Medal)。後人為了紀念他,把能量或功的單位命名為「焦耳」,簡稱「焦」;並用焦耳姓氏的第一個字母「J」來標記熱量。

5 詹姆斯·普雷斯科特·焦耳 -評價

無論是在實驗方面,還是在理論上,焦耳都是從分子動力學的立場出發,進行深入研究的先驅者之一。在從事這些研究的同時,焦耳並沒有間斷對熱功當量的測量。

在去世前兩年,焦耳對他的弟弟的說,「我一生只做了兩三件事,沒有什麼值得炫耀的。」相信對於大多數物理學家,他們只要能夠做到這些小事中的一件也就會很滿意了。焦耳的謙虛是非常真誠的。很可能,如果他知道了在威斯敏斯特教堂為他建造了紀念碑,並以他的名字命名能量單位,他將會感到驚奇,雖然後人決不會感到驚奇。

6 詹姆斯·普雷斯科特·焦耳 -影響

十八世紀,人們對熱的本質的研究走上了一條彎路,「熱質說」在物理學史上統治了一百多年。雖然曾有一些科學家對這種錯誤理論產生過懷疑,但人們一直沒有辦法解決熱和功的關係的問題,是英國自學成才的物理學家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳為最終解決這一問題指出了道路。

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